Hava Kalitesi Modelleme ile İlgili Literatür Özeti

Umman’daki Mina Al-Fahay rafinerisinden kaynaklanan SO2 emisyonlarının

modellenmesi için CALPUFF modeli WRF (Weather Research and Forecasting) hava durumu modeli ile birlikte kullanılmıştır. Günlük 106000 varil kapasitesiyle üretim yapan rafineri, deniz kıyısı ile dağlık bölge arasında kompleks topografyada yer almaktadır. 32 km  32 km’lik modelleme alanı 1 km’lik çözünürlüğe bölünerek 10-30 Ocak 2000 tarihleri arasındaki zaman periyodu için modelleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Model sonuçları daha önceden aynı bölge için yapılmış olan ISCST model sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda, CALPUFF’un deniz kıyısındaki engebeli arazilerde daha iyi sonuçlar verdiği belirtilmiştir. Modelleme sonuçları arazide ölçülen değerlerle karşılaştırıldığında CALPUFF’un SO2 konsantrasyonlarını daha yüksek olarak tahmin ettiği ortaya çıkmıştır. Gerçek

değerler ile modelleme sonucundaki farklılıkların topografik ve meteorolojik verilerden ve SO2’nin kimyasal tepkimelerinin hesaba katılmamasından

kaynaklanabileceği belirtilmiştir (Abdul-Wahab ve diğ., 2011).

Hindistan’da yapılması düşünülen 1000 MW’lık bir termik güç santralinin hava kalitesine etkisinin belirlenmesi için ISCST3 modeli kullanılmıştır. Petrokimya, rafineri, demir çelik endüstrisi, kimya endüstrisi, gübre endüstrisi ve bir başka 1000

MW’lık bir termik güç santralinin daha bulunduğu endüstrisi bölgesinde yeni yapılması düşünülen termik santralin SO2 emisyonlarına etkisi araştırılmıştır. Yapımı

planlanan yeni santral ile birlikte engebeli arazilerde maksimum saatlik SO2

konsantrasyonunun 339,21 g/m3’den 435,53 g/m3’e çıkacağı tespit edilmiştir. Termik santraller de dahil olmak üzere SO2 emisyonları yüksek olan sanayi

tesislerinde % 85 veya % 90 oranlarında baca gazı desülfürizasyonunun uygulanması durumunda ise Hindistan’daki endüstriyel bölgeler için geçerli olan 120 g/m3’lük SO2 değerinin sağlanacağı ifade edilmiştir (Bandyopadhyay, 2009).

Hindistan’ın Madurai kentinde yapılan bir çalışmada ise PM10 ve kurşun

konsantrasyonları ölçülmüş ve modellenmiştir. Ölçüm döneminde PM10

konsantrasyonlarının 88,1 ile 226,9 g/m3 arasında olduğu ölçülmüştür. Maksimum konsantrasyonların yaz aylarında, minimum değerlerin ise muson sezonunda ölçüldüğü ifade edilmiş bunun nedeni olarak da PM10’un ıslak çökelmeyle

atmosferden giderildiği belirtilmiştir. Çalışmada, modelleme yazılımı olarak da AERMOD kullanılmıştır. Model çıktıları ölçümler ile kıyaslandığında AERMOD’un PM10 konsantrasyonlarını 1 ile 1,5 kat daha düşük olarak tahmin ettiği sonucuna

varılmıştır (Bhaskar ve diğ., 2008).

Elementel cıva konsantrasyonlarının modellendiği bir başka çalışmada AERMOD modeli kullanılmıştır. 0,001 g Hg/s emisyonu olan kömürle çalışan bir buhar kazanının modellenmesi için 4 farklı senaryo oluşturulmuştur (20 ve 55m baca yüksekliği ile düz ve engebeli arazi). Çalışma sonucunda endüstriyel tesisin yakınındaki engebeli arazide bulunan yerleşim yerlerinin düz arazide bulunanlara göre 2 ile 3 kat daha fazla kirleticiye maruz kaldıkları belirtilmiştir. Baca boyunun 55 metre olduğu durumda yıllık maksimum cıva konsantrasyonunun 0,4 g/m3 olduğu (düz ve engebeli arazide), 20 metre baca boyunda ise oluşan yıllık maksimum cıva konsantrasyonunun 4,0 g/m3 (düz arazide) ve 7,06 g/m3 (engebeli arazide) olduğu bulunmuştur (Heckel ve LeMasters, 2011).

2003 ile 2007 yılları arasını kapsayan ve Yunanistan’ın Selanik kentinde yapılan bir hava kalitesi modelleme çalışmasında PM10 konsantrasyonları modellenmiştir. 11

tane sanayi tesisi ve 3 tane taş ocağının PM10 emisyonlarının Selanik’teki hava

emisyon envanterinin hazırlanmasında IPPC emisyon faktörlerinin kullanılmıştır. Çalışma sonucunda, modellenen değerler ile ölçüm istasyonlarında ölçülen değerlerin birbirine yakın olduğu belirtilmiştir. Ayrıca, şehrin batı banliyölerindeki PM10 konsantrasyonunun % 30’unun sanayi tesislerinden kaynaklandığı ve şehir

merkezinde bu oranın % 7 olduğu tespit edilmiştir (Kakosimos ve diğ., 2011).

Kuveyt’te 15 adet güç tesissinden kaynaklanan SO2 emisyonlarının modellendiği bir

çalışmada ISC-AERMOD modeli kullanılmıştır. Kuveyt City’nin 15 km doğusunda yer alan Doha East ve Doha West güç tesisleri sırasıyla 1050 MW ve 2400 MW’lık kapasitelere sahiptirler. 2008 yılında gerçekleştirilen bu çalışmada, 5050 km’lik modelleme alanı 1km’lik gridlere bölünmüştür. Maksimum günlük SO2

konsantrasyonu tesislerin 1,9 km batısında 380 g/m3 olarak tespit edilmiştir. Pik konsantrasyonların Mayıs ve Eylül ayları arasını kapsayan dönemde görüldüğü bildirilmiştir (Yassin ve Al-Awadhi, 2011).

Yeni Zelanda’nın güney adasında yer alan Cristhchurch kentinde kış dönemi partikül madde emisyonları CALPUFF yazılımı ile modellenmiştir. Günde 13400 kg PM10’un

atmosfere salındığı şehirde emisyonların % 82’si (11000 kg/gün) evsel ısınmadan, % 10’u mobil kaynaklardan ve geri kalan % 8’i ise sanayiden kaynaklanmaktadır. Yaklaşık 40000 civarında odun ve kömür sobasının bulunduğu kentte 27 Temmuz – 1 Ağustos 1995 tarihleri arasında gözlenen episodda saatlik pik PM10 konsantrasyonu

386 g/m3 ve günlük pik değer de 107 g/m3 olarak ölçülmüştür. Çalışmada, episodlarda gerçekleşen kararlı durumları daha iyi modelleyebildiği için CALPUFF modeli kullanılmıştır. Model performansının belirlenmesi için model çıktıları, 4 tane hava kalitesi ölçüm istasyonunda ölçülen değerlerle kıyaslanmıştır. Sonuçta, modelin yüksek konsantrasyonlarda daha düşük tahminlerde bulunduğu, düşük konsantrasyonlarda ise daha yüksek tahminlerde bulunduğu belirtilmiştir. Bu çalışmada ayrıca 3 farklı emisyon kontrol stratejisi de model ile denenmiştir. Odun yakan sobaların sıfır PM10 emisyonlu elektrikli veya gaz yakan alternatiflerle

değiştirilmesi durumunda PM10 konsantrasyonunun % 42 azalacağı, benzer şekilde

kömür yakan sobaların alternatifleri ile değiştirilmesi durumunda da PM10

konsantrasyonunun % 32 azalacağı sonucu çıkarılmıştır. Hem odun hem de kömür kullanımının tümüyle yasaklanıp alternatiflerin kullanılması ile de günlük pik PM10

Kolombiya’daki açık işletilen ve yıllık 33 milyon ton üretim kapasiteli 7 kömür ocağından kaynaklanan PM10 emisyonları ISCST3 ve AERMOD modelleri yardımı

ile modellenmiştir. Tahmin edilen konsantrasyonlar hava kalitesi izleme ağından alınan ölçüm değerleri ile karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda, uzun dönem ortalamalarında AERMOD’un daha iyi sonuçlar verdiği belirtilmiştir. Ölçülen değerler ile AERMOD’un tahmin ettiği değerler arasındaki korelasyon (r) 0,857 olarak bulunmuşken ISCST3 modeli ile ölçüm değerleri arasındaki korelasyonun 0,705 olduğu belirtilmiştir. Partikül madde konsantrasyonlarının modeller tarafından daha düşük olarak tahmin edildiği bunun nedeninin de emisyon envanterindeki eksikliklerin olabileceği bildirilmiştir. Ayrıca modelin duyarlılık analizi sonucunda, madenlerden kaynaklanan % 1’lik bir emisyon artışının toplam partikül madde konsantrasyonunu 0,953 g/m3 arttıracağı bulunmuştur (Huertas ve diğ., 2012).

2005 yılında Polonya’da yapılan bir hava kalitesi modelleme çalışmasında partikül madde konsantrasyonları, üç boyutlu kimyasal taşınım modeli olan CAMx ile tahmin edilmiştir. Modelleme alanı 10 km çözünürlüklü 70 × 70 ızgara hücreye ayrılmış ve dikeyde 18 katman kullanılmıştır. Hava durumu verileri WRF (Weather Research and Forecasting) modeli ile işlenmiştir. Enerji üretiminden, motorlu taşıtlardan, evsel ısınmadan, endüstriyel tesislerden ve doğal kaynaklardan salınan emisyonlar partikül madde kaynakları olarak modele girilmiştir. Model çıktıları AirBase veritabanına dahil ve kırsal bölgelerde yer alan 10 adet hava izleme istasyonunun PM10 ölçümleri

ile kıyaslanarak model performansı değerlendirilmiştir. Korelasyon katsayısı (r) ve uyum indeksi (IA) değerleri sırasıyla 0,66 ve 0,74 bulunmuş; tahminlerin ölçülen değerler ile iyi bir korelasyona sahip olduğu bildirilmiştir. Sonuçta, modelin yıllık ortalamalarda ve sonbahar-kış sezonu için iyi bir performans sergilediği vurgulanmıştır. Ancak, ilkbahar-yaz sezonunda ise model tahminleri ölçülen değerlerin altında kalmıştır. Bunun nedeni olarak da ilkbahar-yaz sezonunda otların yakılması, orman yangınları ve rüzgar ile taşınan veya yerden kalkan tozlar gibi partikül madde emisyonlarının modele girilmemiş olması gösterilmiştir (Trapp ve diğ., 2010).

AERMOD modelinin farklı zaman dilimlerindeki performanslarının kıyaslandığı bir modelleme çalışması Amerika Birleşik Devletleri’nin Teksas eyaletindeki Dallas ve Ellis şehirlerinde gerçekleştirilmiştir. SO konsantrasyonlarının tahmin edildiği bu

çalışma 1 Ocak – 31 Aralık 2002 tarihleri arasındaki dönem için yapılmıştır. Dallas şehrindeki 510 noktasal kaynaktan toplam 393,9 ton ve motorlu taşıtlardan da 1587,09 ton SO2’nin atmosfere salındığı bildirilmiştir. Ellis şehrindeki 76 noktasal

kaynaktan salınan SO2 miktarı 161 ton ve motorlu taşıtların SO2 emisyonları ise

10160 ton’dur. AERMOD modeli 1 saatlik, 3 saatlik, 8 saatlik, günlük, aylık ve yıllık zaman dilimleri için çalıştırılmıştır. Model sonuçları, 3 adet hava izleme istasyonundan ölçülen değerler ile Q-Q grafikleri çizilerek karşılaştırıldıklarında AERMOD’un orta (8 saatlik) ve uzun vadeli (aylık ve yıllık) zaman dilimlerindeki model çıktılarının kısa vadeli (1 ve 3 saatlik) zaman dilimlerindeki tahminlere göre çok daha iyi sonuçlar verdiği belirlenmiştir. Çalışmada, ortaya çıkan bu sonucun çok da şaşırtıcı olmadığı, kısa zaman dilimlerinde kirletici konsantrasyonlarını yüksek doğrulukla oranıyla tahmin etmenin oldukça zor olduğu vurgulanmıştır. Ayrıca, zaman dilimi uzadıkça tahmin edilen ve gözlenen konsantrasyonların standart sapma değerlerinin azaldığı, korelasyon katsayısı ve uyum indeksinin de daha iyi sonuçlar verdiği belirtilmiştir. Çalışmanın sonucunda, genel olarak AERMOD’un konsantrasyon tahminlerinin ölçülen değerlerden daha düşük olduğu, bunun nedeni olarak da noktasal olmayan kaynakların ve yol dışı emisyonların modele dahil edilmemesi gösterilmiştir (Zou ve diğ., 2010).

Hindistan’ın Ganj Havzası’nda bulunan Kanpur şehrinde PM10 emisyonlarının

modellendiği bir çalışmada ISCST3 modeli kullanılmıştır. PM10 emisyon

envanterinin hazırlanmasında Coğrafi Bilgi Sistemlerinden faydalanılmış ve çalışma alanı 2 × 2 km’lik 85 hücreye bölünmüştür. Günlük toplam 11,2 ton PM10’un

atmosfere salındığı, emisyon kaynaklarının da endüstriyel noktasal kaynaklar (2,9 ton), endüstriyel alansal kaynaklar (0,8 ton), motorlu taşıtlar (2,3 ton), evsel ısınma (2,1 ton), yollardan kalkan tozlar (1,6 ton), açıkta yakma işlemleri (1,0 ton), otel ve restoranların yakıt tüketimleri (0,4) olduğu hesaplanmıştır. ISCST3 modelinin tahminleri toplam 7 tane hava kalitesi izleme istasyonu ölçümleri ile karşılaştırılmıştır. Model performansının belirlenmesinde 4 farklı istatistiksel parametre kullanılmıştır. Kesirli sapma (FB) parametresinin değeri 0,53 olarak hesaplanmış ve bu değer pozitif olduğu için modelin tahminlerinin gerçekte ölçülen değerlerden daha düşük olduğu belirtilmiştir. Modelin daha düşük tahmin etmesinin sebebi olarak background konsantrasyon değerinin modele dahil edilmemiş olması

gösterilmiştir. Normalleştirilmiş Ortalama Hatanın Karekök’ü (NMSE) değeri 0,48 olarak bulunmuş ve bu değer 0,5’den küçük olduğu için model performansının kabul edilebilir olduğu belirtilmiştir. Korelasyon katsayısı (r) değeri 0,69 ve uyum indeksi değeri (IA) de 0,62 olarak hesaplanmış ve modelin uygulama ve karar vermede yeterli olarak kabul edilebileceği sonucuna varılmıştır. Çalışmada ayrıca, kaynakların PM10 kirliliğine yapmış oldukları katkı payları da hesaplamıştır. En yüksek katkı

yapan kirletici kaynaklarının motorlu taşıtlar (% 16), evsel ısınma (% 16), yolardan kalkan tozlar (% 14) ve endüstriler (% 7) olduğu bulunmuştur. İlginç bir şekilde, yakıt olarak kömür kullanan termik santralin kirliliğe çok fazla katkı yapmadığı, bunun sebebi olarak da baca boyunun 120 metre yüksekliğe sahip olması gösterilmiştir (Behera ve diğ., 2011).

İstanbul’da yapılan bir hava kalitesi modellemesi çalışmasında ISCST3 modeli yardımıyla PM10 emisyonları modellenmiştir. Çalışma alanı olarak İstanbul’un

kalabalık ilçelerinden biri olan Bahçelievler bölgesi seçilmiştir. 4  4 km’lik alanda evsel ısınma, sanayi tesisleri ve trafikten kaynaklanan PM10 emisyonlarının envanteri

hazırlanmıştır. 1999 yılı için Florya Meteoroloji istasyonundan elde edilen veriler PCRAMMET yazılımı ile işlenmiştir. Modelleme çalışması sonucunda bölgedeki başlıca kirlilik kaynağının evsel ısınma amacıyla tüketilen doğalgaz olduğu belirtilmiştir. Tüm kirletici kaynaklar hesaba katıldığında en yüksek PM10

konsantrasyonu 287,5 g/m3 olarak tahmin edilmiştir. Ayrıca, model performansının belirlenmesi amacıyla sahada ölçülen değerler ile model tahminleri karşılaştırılmış ve modelin gerçekteki PM10 konsantrasyonunu % 82 oranında tahmin ettiği

bildirilmiştir (Onat ve diğ., 2004).

Bursa'da yapılan bir çalışmada 1995-1996 yılları arasında Büyükşehir Belediyesi sınırları içerisindeki hava kirliliği haritası çıkartılmıştır. Evsel ısınma ve motorlu taşıtlardan kaynaklanan kükürt dioksit ve azot oksitlerin emisyon envanteri hazırlanmış ve kirletici konsantrasyonlarının hesaplanması için ATDL (Atmospheric Turbulent Diffusion Laboratory - Atmosferik Türbülanslı Difüzyon Laboratuvarı) modelinin basitleştirilmiş bir versiyonu kullanılmıştır. Kirletici konsantrasyonlarının hesaplanmasından sonra uzaysal enterpolasyon yöntemi (Kriging) ile de kirlilik haritaları oluşturulmuştur. Çalışma sonucunda Heykel, Yıldırım ve Altıparmak bölgelerinde SO

olarak da bu bölgelerdeki yüksek nüfus ve trafik yoğunluğunun olduğu gösterilmiştir (Payan, 1997).

Ülkemizde demir-çelik endüstrisi bakımından önde gelen merkezlerinden biri olan İskenderun'da yapılan bir hava kalitesi çalışmasında öncelikle sanayi, evsel ısınma ve trafikten kaynaklanan PM, SO2, NOx, CO ve metan dışı uçucu organik bileşikler

(NMVOC) için emisyon envanteri hazırlanmıştır. 2001 yılı için PM emisyonu 19951 ton/yıl olarak hesaplanmış ve bu miktarın % 96'sının sanayi tesislerinden kaynaklandığı belirtilmiştir. Ayrıca 25 × 50 km'lik bir bölgede PM, SO2, NOx ve CO

kirleticileri konsantrasyonları ISCST3 modeli ile tahmin edilmiş ve hava kirliliği haritaları hazırlanmıştır. Model sonuçlarının değerlendirilmesi için yapılan istatistiksel analizlere göre modelin kirletici konsantrasyonlarını gerçek değerlerden daha düşük olarak tahmin ettiği belirtilmiştir. Çalışma sonucunda İskenderun, Payas ve Dörtyol’da hava kirliliğinin ağarlıklı olarak kentsel ısınma ve trafikten kaynaklandığı fakat İSDEMİR’in de hava kirliliğinde etkin olduğu bildirilmiştir. İSDEMİR kaynaklı partikül madde emisyonlarının kontrol edilmesi senaryosunda İskenderun Körfez’indeki partikül madde kirliliğinin % 70 daha az olacağı hesaplanmıştır (Chaudhary, 2003).

SO2 konsantrasyonlarının tahmin edilmesinde CALPUFF modelinin kullanıldığı bir

çalışma İzmit Körfezi için yapılmıştır. Modelleme işlemleri yüksek basınç, düşük rüzgar hızları ve düşük sıcaklıkların (0 C) gözlendiği, 1997 yılındaki 3 farklı tarih (28 Ocak, 12 ve 26 Şubat) için yapılmıştır. Model sonuçlarına göre, ilk iki tarihteki Kocaeli şehri için günlük ortalama SO2 konsantrasyonları 500 g/m3 değerini

geçmiş, bununla beraber 26 Şubattaki günlük ortalama konsantrasyon değeri 200

g/m3’ün altında kalmıştır. Model sonuçlarını değerlendirebilmek için tahmin edilen değerler ölçüm sonuçları ile karşılaştırıldıklarında Gebze’deki sonuçların model ile çok iyi bir şekilde açıklandığı görülmüştür. Diğer ölçüm noktalarındaki sonuçların ise ilk iki tarih için model tarafından daha fazla, son tarihte ise daha düşük olarak tahmin edildiği bildirilmiştir (Tayanç ve Berçin, 2007).

4. MATERYAL ve METOT